缺氧蒸汽涡轮机吞热原理分析

缺氧蒸汽涡轮机吞热原理分析

《缺氧》在游戏的后期各个工业设备会产生大量的温度，降温也是游戏后期的难题之一，下面为大家带来的是缺氧蒸汽涡轮机吞热原理分析，一起来看看吧。

今天我们来做一个游戏科普向的介绍，主角是游戏中非常重要的设备——蒸汽涡轮机，它是游戏中除了野外反熵热量中和器以外唯一的负熵热控装置。（以下简称为蒸汽机）

首先，澄清一些下面内容中的一些基础概念：

tick：游戏循环中最小热量交换计算时间单位，合0.2秒；1秒=5个ticks

DTU：游戏中的热量单位，可以视作对于现实J（焦耳）的对应

c：比热容，是指没有相变化和化学变化时，1kg均相物质温度升高1K所需的热量（参见初中物理）。游戏中做了大幅简化，基本为常数

T：温度（我们使用的是摄氏度 ℃）

我们来看一下它的工作和热能模型：

蒸汽涡轮机

蒸汽机发电模型：

蒸汽机共5个蒸汽吸入口，每秒每口可以最多吸收125℃以上0.4kg水蒸气，并将这部分水蒸气降温至固定的95℃再排出。蒸汽机每秒吸收热量的上限是877.59kDTU，并将之转化为最高850W的电力。游戏内的蒸汽机有一个和现实不同的热量黑洞特性，如果气室内水蒸气温度过高，导致每秒吸收热量超过877.59kDTU，则蒸汽机仍然以850W电力进行输出。

Power = Min( (85 / 21) * m * (T_steam – 95), 850) （单位W 瓦特）

m：最多2kg的水蒸气（kg）

T_steam：蒸汽温度

发电模型的衍生讨论——蒸汽机堵口：

因为有877.59kDTU上限这一限制，从最大效用利用蒸汽热量资源进行发电的角度，才有了控温堵口这种活用方法。为什么呢？

假设我们的蒸汽温度很高，我们希望蒸汽机以几乎满负荷的状态进行工作。那么，根据吸收释放热量公式 Q = c * m * △T，在Q和c为常量时（Q最多为877.59kDTU、c为水比热容4.179）。

水的比热容

我们可以看出△T与m水质量是关系函数。其中，m的取值可以因蒸汽机堵口设置成0.4 * n（n为蒸汽机口开放数量），可以推算以下表：

蒸汽涡轮机堵口控制样例

所以，如果当你的蒸汽室的温度明显高于357.32度时，你可能就要考虑的是是否需要在火山/喷泉不超压的情况下，增加蒸汽室内单位蒸汽的数量，或者无脑增加蒸汽室大小，分摊后以降低单位蒸汽的温度。

另外，这里还有一个冷知识，上表内我并没有给出只开放一口的计算。因为这种情况略有差别，游戏内换热计算是1 tick一次，1秒内合5次。如果只有一口吸入蒸汽的话，每秒是0.4kg，每tick平均就是0.08kg。然而，蒸汽机工作需要吸入至少0.1kg的水蒸气才能算启动，所以实际工作中，第一个tick的水蒸气不足以启动蒸汽机，它会按照每2 ticks工作1 tick来计算，所以最高输出只有850W的一半，425W。只堵一个口是没有大意义的。

图中左三右上二的五个蒸汽机，发电量仅为最大功率的一半

蒸汽机发热模型：

蒸汽机除了删除热量用以发电外，其自身也有过热温度（100℃）。在工作时，它会从两部分吸收热量升温，一块是因吸入蒸汽转化为水出的热量比例，这个比例是水相变热量差的10%；另一块是工作时自身固定发热4kDTU。所以，整个发热量是一个线性相关的模型。

Q = 10% * c * m * △T + const

c：4.179，水的比热容（kDTU/(kg·℃)）

蒸汽机发热模型的衍生讨论——自冷问题：

什么时候蒸汽机可以不依赖于外界液冷的降温，通过95℃的水做自冷？这个问题的解，可以换一个角度来看：

我们把蒸汽机这个部分作为一个单独的整体来看，它吸收的热是上小节中的Q = 10% * c * m * △T + const = 10% * 4.179 * 2 * △T + 4（单位为kDTU），而交换这部分热假设只能通过95℃的水做降温。考虑到蒸汽机达到100℃时，就无法工作，且管道中水有相变爆管的风险，故能够使用水这种介质来降温的最大热量是 Q = c * m * △T = 4.179 * 2 * (100 – 95) = 41.79kDTU。

同时，我们再假设使用导热管道能够进行最充分的换热，把等式连起来，我们得到：41.79 = 10% * 4.179 * 2 * △T + 4， 即温差理论最多能够达到45.21℃，蒸汽理论最高温度为140.21度。

讲在自冷问题的最后，由于上述计算对导热速度和传热均作了完美的前提限定，事实上在实际应用中，是有风险的。所以一般来说，我们会留出10%的buff作为自冷模型的容错余量。

90% * 41.79 = 10% * 4.179 * 2 * △T + 4，这样实际温差在40.2℃，蒸汽实际最高温度为135.21度。

考虑到实操，蒸汽温度相对比较难可视化，根据先前供电模型的推算，此时蒸汽机大约会以330W的功率做输出，大家是可以参看蒸汽机平均发电量就能做一个基本判断。

衍生补充：自冷判断的应用

基于这个温度上限，再结合火山的喷发停止周期、喷发元素种类的比热容，就能很容易的确定该模块是否能够在理论模型内自冷：

以大名鼎鼎的（la ji）金火山为例：

金的比热容仅0.129，水的比热容是它的32.39倍

金属金：比热容0.129 kDTU/(kg·℃)，凝固点1063.9℃

一个典型的金火山

金火山：154.3周期内活跃92.5周期；787秒内喷发55秒；每秒喷发6kg温度为2626.9℃的熔融金。

假设金火山保守自冷模型的定义，是在整个模组绝对不交换热的前提下（先忽略电器热量），在喷发的过程中，气室内的水蒸气在不删除热的情况下，仍然能够控制在135℃以下：

金火山喷发活跃周期内的新增总热量： Q = c * m * △T = 0.129 kDTU/(kg·℃) * 6kg/秒 * 55秒 * (2626.9℃ – 125℃) * (10/9) = 118339.65 kDTU

(10/9)的解释：由于蒸汽机自热及吸收删除热量的1/10，会重新回到蒸汽室，所以蒸汽室里的热量是(1 + 1/10 + 1/10 * 1/10 + …) * Q 的极限，即10/(10-1) * Q。这里我战术忽略了自热的4kDTU，它在先前占到了10%不到的总量。

我们假设在55秒喷发周期内，即使不删除热，蒸汽仍不会超过135℃ ：

喷发周期内新增热量总数 118339.65 kDTU = c * m * △T = 4.179 kDTU/(kg·℃) * m * (135℃ – 125℃)。计算可得，m = 2831.77kg。（故为了不使火山超压，至少需要 m / 150kg = 19格大小的气室）

实际上，在喷发期间，蒸汽机也在工作，所以实际所需的水是可以比计算的要少一些的。简单的方法，只要看自冷过程中蒸汽机最高发热量不要超过41.79kDTU/s即可。

沙盒debug模式下，测试安全

由于我游戏中随机到的这个金火山的喷发量属于中等偏低的，一般来说，4000kg水基本可以覆盖大多数金火山的自冷要求。

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